Pluripotency can be induced in differentiated murine and human cells by retroviral transduction of Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc. We have devised a reprogramming strategy in which these four transcription factors are expressed from doxycycline (dox)-inducible lentiviral vectors. Using these inducible constructs, we derived induced pluripotent stem (iPS) cells from mouse embryonic fibroblasts (MEFs) and found that transgene silencing is a prerequisite for normal cell differentiation. We have analyzed the timing of known pluripotency marker activation during mouse iPS cell derivation and observed that alkaline phosphatase (AP) was activated first, followed by stage-specific embryonic antigen 1 (SSEA1). Expression of Nanog and the endogenous Oct4 gene, marking fully reprogrammed cells, was only observed late in the process. Importantly, the virally transduced cDNAs needed to be expressed for at least 12 days in order to generate iPS cells. Our results are a step toward understanding some of the molecular events governing epigenetic reprogramming.

Pluripotent cells can be derived from fibroblasts by ectopic expression of defined transcription factors. A fundamental unresolved question is whether terminally differentiated cells can be reprogrammed to pluripotency. We utilized transgenic and inducible expression of four transcription factors (Oct4, Sox2, Klf4, and c-Myc) to reprogram mouse B lymphocytes. These factors were sufficient to convert nonterminally differentiated B cells to a pluripotent state. However, reprogramming of mature B cells required additional interruption with the transcriptional state maintaining B cell identity by either ectopic expression of the myeloid transcription factor CCAAT/enhancer-binding-protein-α (C/EBPα) or specific knockdown of the B cell transcription factor Pax5. Multiple iPS lines were clonally derived from both nonfully and fully differentiated B lymphocytes, which gave rise to adult chimeras with germline contribution, and to late-term embryos when injected into tetraploid blastocysts. Our study provides definite proof for the direct nuclear reprogramming of terminally differentiated adult cells to pluripotency.

Generating induced pluripotent stem (iPS) cells is still an inefficient process, in part because the delivery of reprogramming factors by retroviral vectors yields cell populations that are genetically heterogeneous. Wernig et al. increase efficiency by producing iPS-cell chimeric mice from which they isolate cells bearing identical proviral insertions that support drug-inducible reprogramming. The study of induced pluripotency is complicated by the need for infection with high-titer retroviral vectors, which results in genetically heterogeneous cell populations. We generated genetically homogeneous 'secondary' somatic cells that carry the reprogramming factors as defined doxycycline (dox)-inducible transgenes. These cells were produced by infecting fibroblasts with dox-inducible lentiviruses, reprogramming by dox addition, selecting induced pluripotent stem cells and producing chimeric mice. Cells derived from these chimeras reprogram upon dox exposure without the need for viral infection with efficiencies 25- to 50-fold greater than those observed using direct infection and drug selection for pluripotency marker reactivation. We demonstrate that (i) various induction levels of the reprogramming factors can induce pluripotency, (ii) the duration of transgene activity directly correlates with reprogramming efficiency, (iii) cells from many somatic tissues can be reprogrammed and (iv) different cell types require different induction levels. This system facilitates the characterization of reprogramming and provides a tool for genetic or chemical screens to enhance reprogramming.

Ectopic expression of defined transcription factors can reprogram somatic cells to induced pluripotent stem (iPS) cells, but the utility of iPS cells is hampered by the use of viral delivery systems. Small molecules offer an alternative to replace virally transduced transcription factors with chemical signaling cues responsible for reprogramming. In this report we describe a small-molecule screening platform applied to identify compounds that functionally replace the reprogramming factor Klf4. A series of small-molecule scaffolds were identified that activate Nanog expression in mouse fibroblasts transduced with a subset of reprogramming factors lacking Klf4. Application of one such molecule, kenpaullone, in lieu of Klf4 gave rise to iPS cells that are indistinguishable from murine embryonic stem cells. This experimental platform can be used to screen large chemical libraries in search of novel compounds to replace the reprogramming factors that induce pluripotency. Ultimately, such compounds may provide mechanistic insight into the reprogramming process.

Embryonic stem cells (ESCs) are isolated from the inner cell mass (ICM) of blastocysts, whereas epiblast stem cells (EpiSCs) are derived from the postimplantation epiblast and display a restricted developmental potential. Here we characterize pluripotent states in the nonobese diabetic (NOD) mouse strain, which prior to this study was considered "nonpermissive" for ESC derivation. We find that NOD stem cells can be stabilized by providing constitutive expression of Klf4 or c-Myc or small molecules that can replace these factors during in vitro reprogramming. The NOD ESCs and iPSCs appear to be "metastable," as they acquire an alternative EpiSC-like identity after removal of the exogenous factors, while their reintroduction converts the cells back to ICM-like pluripotency. Our findings suggest that stem cells from different genetic backgrounds can assume distinct states of pluripotency in vitro, the stability of which is regulated by endogenous genetic determinants and can be modified by exogenous factors.

Delayed-type drug hypersensitivity reactions are major causes of morbidity and mortality. The origin, phenotype and function of pathogenic T cells across the spectrum of severity requires investigation. We leveraged recent technical advancements to study skin-resident memory T cells (TRM) versus recruited T cell subsets in the pathogenesis of severe systemic forms of disease, SJS/TEN and DRESS, and skin-limited disease, morbilliform drug eruption (MDE). Microscopy, bulk transcriptional profiling and scRNAseq + CITEseq + TCRseq supported in SJS/TEN clonal expansion and recruitment of cytotoxic CD8+ T cells from circulation into skin, along with expanded and non-expanded cytotoxic CD8+ skin TRM. Comparatively, MDE displayed a cytotoxic T cell profile in skin without appreciable expansion and recruitment of cytotoxic CD8+ T cells from circulation, implicating TRM as potential protagonists in skin-limited disease. Mechanistic interrogation in patients unable to recruit T cells from circulation into skin and in a parallel mouse model supported that skin TRM were sufficient to mediate MDE. Concomitantly, SJS/TEN displayed a reduced regulatory T cell (Treg) signature compared to MDE. DRESS demonstrated recruitment of cytotoxic CD8+ T cells into skin like SJS/TEN, yet a pro-Treg signature like MDE. These findings have important implications for fundamental skin immunology and clinical care.